Analysis and Optimization of Wireless Power Transfer Efficiency Considering the Tilt Angle of a Coil

Wei Huang,Hyunchul Ku 한국전자파학회JEES 2018 Journal of Electromagnetic Engineering and Science Vol.18 No.1

Wireless power transfer (WPT) based on magnetic resonant coupling is a promising technology in many industrial applications. Efficiency of the WPT system usually depends on the tilt angle of the transmitter or the receiver coil. This work analyzes the effect of the tilt angle on the efficiency of the WPT system with horizontal misalignment. The mutual inductance between two coils located at arbitrary positions with tilt angles is calculated using a numerical analysis based on the Neumann formula. The efficiency of the WPT system with a tilted coil is extracted using an equivalent circuit model with extracted mutual inductance. By analyzing the results, we propose an optimal tilt angle to maximize the efficiency of the WPT system. The best angle to maximize the efficiency depends on the radii of the two coils and their relative position. The calculated efficiencies versus the tilt angle for various WPT cases, which change the radius of RX (r2 = 0.075 m, 0.1 m, 0.15 m) and the horizontal distance (y = 0 m, 0.05 m, 0.1 m), are compared with the experimental results. The analytically extracted efficiencies and the extracted optimal tilt angles agree well with those of the experimental results.

5.8GHz RF 무선전력전송 시스템 효율 향상을 위한 위상제어기 및 배열안테나 설계 기법

이의범(Euibum Lee),구현철(Hyunchul Ku) 대한전기학회 2019 대한전기학회 학술대회 논문집 Vol.2019 No.7

다중 대역 송신을 위한 디지털 사전 왜곡 기법을 이용한 비선형 전력 증폭기의 고조파 신호 선형화

오경태(Kyungtae Oh),구현철(Hyunchul Ku),김동수(Dongsu Kim),한철구(Cheol-Koo Hahn) 한국전자파학회 2008 한국전자파학회논문지 Vol.19 No.12

본 논문에서는 입력 복소 포락선 신호와 m차 고조파 대역의 출력 복소 포락선 신호 사이의 비선형성 관계를 이론적으로 분석하고, 이를 모델링하기 위하여 AM/AMm, AM/PMm을 정의하였다. 제안된 모델을 측정 데이터로부터 추출하는 방안을 제안하였고, InGaP 전력 증폭기에 대하여 기본 주파수 대역과 3차 고조파 대역에서의 신호를 측정하여 제안된 모델 및 기법의 유효성을 검증하였다. 또한, 제안된 고조파 신호 대역에 대한 모델을 기반으로 고조파 대역 신호의 선형화를 위한 디지털 사전 왜곡 기법을 제안하였다. 디지털 사전 왜곡기에서 비선형 역함수 구현을 위해 수치 해석적인 방법과 Look-Up Table(LUT) 방식을 이용하였다. 고조파 신호 선형화를 위한 디지털 사전 왜곡기를 포함하는 송신기를 구현하고 16-QAM과 64-QAM의 입력 신호에 대해서 3차 고조파 출력신호의 스펙트럼과 I/Q 신호 성상도를 측정하였다. 고조파 대역에서 비선형 왜곡에 의해서 의미 없는 신호는 제안된 기법으로 구성된 송신기에 의해 선형화되었으며, 그 결과 각 신호에 대한 Error-Vector Magnitudes(EVM)이 6.4 %와 6.5 %로 측정되었다. 제안된 기법은 향후 SDR과 CR 등의 차세대 다중 대역 송신 시스템에 적용될 수 있을 것으로 사료된다. In this paper, a nonlinear relationship between an input complex envelope and an output complex envelope of m-th harmonic zone is theoretically analyzed, and AM/AMm and AM/PMm are defined. A scheme to extract these characteristics from measured in-phase and quadrature-phase data is suggested. The proposed analysis is verified with a fundamental-fundamental and fundamental-third harmonic measurements for a InGaP power amplifier(PA). Based on the harmonic-band nonlinear analysis and extraction scheme, a new technique to send a signal in m-th harmonic band with a harmonic signal Linearization Digital Predistortion(DPD) scheme is presented. A numerical analysis and a Look-Up Table(LUT) based DPD algorithms to linearize output signal on m-th harmonic zone are developed. For a 16- and a 64-QAM input signals, a DPD for third harmonic signal linearization is implemented, and output spectrum and signal constellation are measured. The wholly distorted signals are linearized, and thus the measured Error Vector Magnitudes (EVM) are 6.4 % and 6.5 % respectively. The results show that a proposed scheme linearizes a nonlinearly distorted harmonic band signals. The proposed nonlinear analysis and predistortion scheme can be applied to multiband transmitter in next generation software defined radio(SDR)/cognitive radio(CR) wireless system.

종합 평점과 다기준 평점을 선택적으로 활용하는 협업필터링 기반 하이브리드 추천 시스템

구민정(Min Jung Ku),안현철(Hyunchul Ahn) 한국지능정보시스템학회 2018 지능정보연구 Vol.24 No.2

추천시스템은 사용자의 과거 구매행동을 통해 향후 구매할 것이라고 예상되는 제품을 자동으로 검색하여 추천해준다. 특히 전자상거래 기업의 상품추천시스템은 일대일 마케팅의 대표적 실현수단으로 가치가 있다. 하지만, 전통적인 추천시스템, 특히 학계 및 산업계에서 가장 널리 사용되고 있는 전통적인 협업필터링 기법은 단일차원의 ‘종합 평점’만을 고려하여 추천결과를 생성하도록 설계되어 있어, 사용자들의 정확한 니즈를 이해하고 대응하는데 근본적인 한계가 있다. 최근에는 전자 상거래 기업들도 고객들로부터 보다 다각화된, 다기준 방식으로 피드백을 받고 있다. 특히 다기준 평점은 정량적으로 입력되는 정보이므로 상대적으로 분석 및 처리가 용이하다는 장점이 있다. 그러나 다기준 평점 역시 사전에 정해진 기준에 대해서만 사용자의 피드백이 이루어지기 때문에, 보다 상세하게 사용자의 의견을 이해하여 추천에 반영하는 데에는 한계가 있다. 이에 본 연구는 다기준 평점 정보와 선택적 협업필터링의 서로 다른 접근방법을 통해 도출된 추천결과를 종합하여, 최종적으로 추천 대상리스트를 산출할 수 있는 하이브리드 기술을 제안한다. 본 연구에서 제안한 연구모형의 유용성을 검증하기 위해, 식음료점(식당, 카페 등)에 대한 실제 이용자를 대상으로 온라인 설문을 통해 종합 평점과 다기준평점을 수집하였으며, 데이터를 학습용과 검증용으로 구분하여 학습시키고 성과를 평가하였다. 이 기법은 결합함수 기반 접근법과 사용자마다 구매의사결정의 체계가 다르다는 전제하에, 사용자들을 유형화하고, 유형에 따라 정보원을 선택적으로 활용하는 협업필터링 알고리즘을 활용했다. 실험결과, 제안 알고리즘을 통한 추천 방법이 단일 차원을 고려하는 전통적인 협업필터링과 비교해 더 우수한 예측정확도를 나타냄을 확인했다. 아울러, 본 연구가 제안하는 다기준 평점과 선택적 협업필터링 알고리즘을 종합하여 추천하는 방법이, 단순히 다기준 평점을 고려했을 때 보다 통계적으로 유의한 수준의 정확도의 개선이 이루어짐을 확인할 수 있었다. Recommender system recommends the items expected to be purchased by a customer in the future according to his or her previous purchase behaviors. It has been served as a tool for realizing one-to-one personalization for an e-commerce service company. Traditional recommender systems, especially the recommender systems based on collaborative filtering (CF), which is the most popular recommendation algorithm in both academy and industry, are designed to generate the items list for recommendation by using ‘overall rating’ – a single criterion. However, it has critical limitations in understanding the customers’ preferences in detail. Recently, to mitigate these limitations, some leading e-commerce companies have begun to get feedback from their customers in a form of ‘multicritera ratings’. Multicriteria ratings enable the companies to understand their customers’ preferences from the multidimensional viewpoints. Moreover, it is easy to handle and analyze the multidimensional ratings because they are quantitative. But, the recommendation using multicritera ratings also has limitation that it may omit detail information on a user’s preference because it only considers three-to-five predetermined criteria in most cases. Under this background, this study proposes a novel hybrid recommendation system, which selectively uses the results from ‘traditional CF’ and ‘CF using multicriteria ratings’. Our proposed system is based on the premise that some people have holistic preference scheme, whereas others have composite preference scheme. Thus, our system is designed to use traditional CF using overall rating for the users with holistic preference, and to use CF using multicriteria ratings for the users with composite preference. To validate the usefulness of the proposed system, we applied it to a real-world dataset regarding the recommendation for POI (point-of-interests). Providing personalized POI recommendation is getting more attentions as the popularity of the location-based services such as Yelp and Foursquare increases. The dataset was collected from university students via a Web-based online survey system. Using the survey system, we collected the overall ratings as well as the ratings for each criterion for 48 POIs that are located near K university in Seoul, South Korea. The criteria include ‘food or taste’, ‘price’ and ‘service or mood’. As a result, we obtain 2,878 valid ratings from 112 users. Among 48 items, 38 items (80%) are used as training dataset, and the remaining 10 items (20%) are used as validation dataset. To examine the effectiveness of the proposed system (i.e. hybrid selective model), we compared its performance to the performances of two comparison models – the traditional CF and the CF with multicriteria ratings. The performances of recommender systems were evaluated by using two metrics - average MAE(mean absolute error) and precision-in-top-N. Precision-in-top-N represents the percentage of truly high overall ratings among those that the model predicted would be the N most relevant items for each user. The experimental system was developed using Microsoft Visual Basic for Applications (VBA). The experimental results showed that our proposed system (avg. MAE = 0.584) outperformed traditional CF (avg. MAE = 0.591) as well as multicriteria CF (avg. AVE = 0.608). We also found that multicriteria CF showed worse performance compared to traditional CF in our data set, which is contradictory to the results in the most previous studies. This result supports the premise of our study that people have two different types of preference schemes – holistic and composite. Besides MAE, the proposed system outperformed all the comparison models in precision-in-top-3, precision-in-top-5, and precision-in-top-7. The results from the paired samples t-test presented that our proposed system outperformed traditional CF with 10% statistical significance level, and multicriteria CF with 1% statistical significance l

확장된 메모리 다항식 모델을 이용한 전력 증폭기 모델링 및 디지털 사전 왜곡기 설계

이영섭(Youngsup Lee),구현철(Hyunchul Ku),김정휘(Jeong-Hwi Kim),류규태(Kyoo-Tae Ryoo) 한국전자파학회 2008 한국전자파학회논문지 Vol.19 No.11

본 논문에서는 RF 전력 증폭기의 메모리 효과 모델링의 정확성을 향상시키기 위한 확장된 메모리 다항식 모델을 제안하고 검증하였다. 볼테라 커널 중에서 대각행렬의 성분만을 고려하는 기본적인 메모리 다항식 기반의 모델의 정확성을 향상시키기 위하여 지연차수가 다른 성분들에 의한 교차항을 추가하여 확장 모델을 구성하였다. 제안된 확장 메모리 다항식의 복잡성을 메모리리스 모델, 메모리 다항식 모델과 비교하였다. 확장된 모델을 이용하여 비선형 관계식을 행렬식으로 표현한 후, 최소 자승법(least square method)을 이용하여 변수를 추출하는 모델링 기법을 제시하였다. 또한, 제안된 기법과 간접 학습 방식을 이용하여 디지털 사전 왜곡기를 구현하기 위한 디지털 사전 왜곡부 구현 방안 및 디지털 신호 처리(DSP) 방식을 제시하였다. 제안된 모델의 성능을 검증하기 위하여 2.3 ㎓ 대역의 WiBro 신호를 인가한 10 W급 GaN HEMT 전력 증폭기와 30 W급 LDMOS 전력 증폭기에 대하여 모델의 정확도를 비교 검토하였으며, 10 W GaN HEMT 전력 증폭기에 대하여 제안된 모델을 이용하는 간접 학습 방식에 기반한 디지털 사전 왜곡기를 적용하여 인접 채널 간섭비(ACPR) 성능을 검증하였다. 제안한 모델은 메모리 다항식에 비하여 모델의 정확성을 향상시키고 10 W GaN HEMT에 대하여 디지털 사전 왜곡기 적용시 기존 방식에 비하여 3차 비선형 영역에서 평균 3 ㏈의 ACPR 성능 향상을 보여주었다. This paper suggests an extended memory polynomial model that improves accuracy in modeling memory effects of RF power amplifiers(PAs), and verifies effectiveness of the suggested method. The extended memory polynomial model includes cross-terms that are products of input terms that have different delay values to improve the limited accuracy of basic memory polynomial model that includes the diagonal terms of Volterra kernels. The complexity of the memoryless model, memory polynomial model, and the suggested model are compared. The extended memory polynomial model is represented with a matrix equation, and the Volterra kernels are extracted using least square method. In addition, the structure of digital predistorter and digital signal processing(DSP) algorithm based on the suggested model and indirect learning method are proposed to implement a digital predistortion linearization. To verify the suggested model, the predicted output of the model is compared with the measured output for a 10 W GaN HEMT RF PA and 30 W LDMOS RF PA using 2.3 ㎓ WiBro input signal, and adjacent-channel power ratio(ACPR) performance with the proposed digital predistortion is measured. The proposed model increases model accuracy for the PAs, and improves the linearization performance by reducing ACPR.

비선형 RF 전력 증폭기의 효율적 다항식 기반 이산 행동 모델링 기법에 관한 연구

김대근(Daegeun Kim),구현철(Hyunchul Ku) 한국전자파학회 2010 한국전자파학회논문지 Vol.21 No.11

본 논문에서는 비선형 RF 전력 증폭기의 효율적인 다항식 기반의 이산 신호 모델링 방법을 제시하였다. 비선형 RF 증폭기의 입, 출력 신호의 샘플링 과정을 통하여 이산 비선형 모델을 추출하는 과정을 기술하고, 테일러 급수와 메모리 다항식 구조를 이용한 다항식 기반의 비선형 이산 모델에서 모델 인자인 샘플률, 비선형 차수, 최대 메모리 깊이의 변화에 따른 모델의 오차를 분석하였다. 다항식 기반의 비선형 모델에서 오차는 샘플률, 비선형 차수, 최대 메모리 깊이에 대하여 특정 값 이후부터 일반적으로 수렴하는 특성을 보인다. 이에 모델 인자값에 따른 시스템의 복잡성을 고려하는 효율적인 이산 신호 모델링 기법을 제시하였다. 모델링 효율 지수를 정의하고, 이를 활용하여 최적의 모델 인자 값을 추출하는 방법을 제시하였다. 제시한 방법을 WiBro, WCDMA 등의 다양한 신호를 가지는 RF 전력 증폭기의 모델링에 적용하고, 제시한 방법의 효율성을 검증하였다. 제안된 기법은 빠른 속도의 모델링과 저렴한 가격의 디지털부를 사용할 수 있게 하여 차후 광대역 송신기에서의 빠른 속도와 낮은 가격의 디지털 전치 왜곡기 구성 등에 활용될 수 있을 것으로 사료된다. In this paper, we suggest a scheme to develop an efficient discrete nonlinear model based on polynomial structure for a RF power amplifier(PA). We describe a procedure to extract a discrete nonlinear model such as Taylor series or memory polynomial by sampling the input and output signal of RF PA. The performance of the model is analyzed varying the model parameters such as sample rate, nonlinear order, and memory depth. The results show that the relative error of the model is converged if the parameters are larger than specific values. We suggest an efficient modeling scheme considering complexity of the discrete model depending on the values of the model parameters. Modeling efficiency index(MEI) is defined, and it is used to extract optimum values for the model parameters. The suggested scheme is applied to discrete modeling of various RF PAs with various input signals such as WCDMA, WiBro, etc. The suggested scheme can be applied to the efficient design of digital predistorter for the wideband transmitter.

Ka-대역 QFN 패키지의 본딩 와이어 분석 및 설계

왕문걸(Wenjie Wang),강원실(Wonshil Kang),구현철(Hyunchul Ku) 한국전자파학회 2021 한국전자파학회논문지 Vol.32 No.11

본 논문에서는 Ka-대역 QFN(quad flat no-lead) 패키지에 사용되는 와이어 본딩 기법에서의 본딩 와이어의 전기적 특성을 분석하여 등가 모델을 제안하고, 그 유효성을 검증하였다. 본딩 와이어의 길이에 따른 인덕턴스와 저항 성분 변화 및 다중 본딩 와이어에서 발생하는 상호 인덕턴스를 고려하여 등가 모델을 개발하였다. 등가 모델의 각 소자 성분 값을 유도하기 위한 해석적 방법을 제시하고, 그 모델의 유효성을 검증하기 위하여 모델에서 유도된 S-파라미터 결과를 3차원 전자기 시뮬레이션 결과와 비교 제시하였다. 제안된 본딩 와이어 등가 모델을 이용하여 설계된 Ka-대역 QFN 패키지에서 반사 손실과 삽입 손실을 최적화한 본딩 와이어의 개수 및 길이를 도출하고, 이를 적용하여 QFN 패키지를 제작하고 S-파라미터 성능을 검증하였다. 설계 제작된 Ka-대역 QFN 패키지 본딩 와이어의 RF 특성이 29 GHz에서 S11(반사 손실)이 −26 dB, S21(삽입 손실)이 −1.8 dB의 성능을 보였으며, 모의실험 결과와 유사한 결과임을 확인하였다. In this study, an equivalent model of bonding wire used in the Ka-band quad flat no-lead (QFN) package was proposed. The proposed equivalent model was constructed using resistors and inductors according to the length of the bonding wire and the mutual inductance between the multi-bonding wires. For verification, the S-parameters derived from the equivalent model were compared with the three-dimensional (3D) electromagnetic simulation results. Moreover, a Ka-band QFN package was designed using the proposed equivalent model. The number and length of the bonding wires required to optimize the return loss (S11) and the insertion loss (S21) of the designed Ka-band QFN package were derived and applied. In the fabricated Ka-band QFN package, the S11 and S21 were measured to be −26 dB to −1.8 dB at 29 GHz, respectively, and it was confirmed that the measurement results were similar to the simulation results.

LINC 전력 증폭기의 경로 오차 영향 분석 및 보상에 관한 연구

임종균(Jonggyun Lim),강원실(Wonshil Kang),구현철(Hyunchul Ku) 한국전자파학회 2010 한국전자파학회논문지 Vol.21 No.8

본 논문에서는 LINC(LInear amplification with Nonlinear Component) 시스템의 두 경로 간의 이득 및 위상 오차의 발생에 의한 신호 왜곡을 분석하고, 이를 기반으로 생성한 LUT(Look Up Table)를 활용하여 효율적으로 경로오차를 제거하는 기법을 제안한다. LINC 시스템은 Outphasing 기법을 활용하기 때문에 경로 오차에 의한 EVM(Error Vector Magnitude) 및 ACPR(Adjacent Channel Power Ratio)의 성능 저하가 커진다. 이득 오차, 위상 오차를 두 개의 변수로 하여 EVM과 ACPR을 구하는 방법을 도출하였다. 도출한 방법을 기반으로 EVM, ACPR에 관한 2차원 LUT를 생성하고, 파일럿 신호 없이 효율적으로 경로 오차를 도출하는 기법을 제안하였다. DSP(Digital Signal Processing) 기반의 경로 보상기를 포함한 LINC 시스템을 구축하고 성능을 검증하였다. 대역폭 1.5 ㎒, 4.7 ㏈의 PAPR(Peak to Average Power Ratio)을 갖는 16QAM 신호에 대하여 보상 전에 경로 간 95 %의 이득비율과 19.33˚의 위상 지연을 가지고 있는 LINC 시스템에 대하여 제안된 기법을 적용한 경우, 경로 간 이득 비율은 99 % 이상, 위상 지연 값은 0.5˚ 이하로 보정되었으며, ACPR은 18.1 ㏈ 향상됨을 확인하였다. In this paper, we analyse the effect of the path imbalances(gain and phase mismatches) in LINC(LInear amplification with Nonlinear Component) system, and propose a simple scheme using LUTs(Look Up Table) to compensate the path imbalances. The EVM(Error Vector Magnitude) and ACPR(Adjacent Channel Power Ratio) of the LINC system are degraded significantly by the path imbalances because it adopts an outphasing technique. The EVM and ACPR are theoretically extracted for two variables(gain and phase mismatch factors) and 2-D LUTs for those are generated based on the analysis. The efficient and simple compensation scheme for the path imbalances is proposed using the 2-D LUTs. A LINC system with the suggested compensation scheme is implemented, and the proposed method is verified with an experiment. A 16-QAM signal with 1.5 ㎒ bandwidth is used. Before the compensation, the path gain ratio was 95 % and phase error was 19.33˚. The proposed scheme adjusts those values with 99 % and 0.5˚, and improves ACPR about 18.1 ㏈.

Mutual Inductance Analysis of Rectangular Spiral Coils with Angle and Position Variations for Wireless Power Transfer

Juwan Kim,Wei Huang,Jae Woo Chung,Hyunchul Ku 한국자기학회 2020 Journal of Magnetics Vol.25 No.1

For wireless charging, a misalignment between a receiver (Rx) coil in the devices (EV, drone and IMD) and a transmitter (Tx) coil often occurs. In this case, a mutual inductance between the coils changes, and consequently a power transfer efficiency (PTE) of the wireless power transfer (WPT) system also changes. To analyze the WPT system in such a situation, this paper presents an analytical method using Neumann formula to derive mutual inductance considering angular and position variations of two rectangular spiral coils. To verify the proposed method, magnetic resonant WPT systems of 85 kHz and 6.78 MHz are implemented, and the PTE values derived from the analyzed mutual inductance and the measured S-parameters are compared for the cases of angle and position variations. For each case, the two PTE values agree well with each other, and it is verified using the normalized root mean square error (NRMSE) values.

직하형 BLU에서 확산 렌즈 성능 분석을 위한 필터링 기법

김주완(Juwan Kim),강원실(Wonshil Kang),구현철(Hyunchul Ku) 대한전자공학회 2016 대한전자공학회 학술대회 Vol.2016 No.6